江苏省农牧系统磷元素流动特征及其影响因素分析

探明江苏省农牧系统磷素流动特征及其影响因素,可为农牧生产体系可持续发展提供理论依据。通过文献调研、数据分析等方式,结合NUFER(NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use)模型,定量分析了江苏省1998—2018年间农牧生产体系的磷素流动特征,明确了农牧系统磷元素流动影响因素。结果表明:1998—2018年,江苏省农牧系统磷素输入总量由423.19 Gg下降至382.86 Gg,主要减少的输入项为化肥和外源饲料,其中单位耕地面积化肥磷素投入量由78.78kg·hm~(-2)降至67.27kg·hm~(-2),外源饲料磷供应量由58.07 Gg降至46.54 Gg;农牧系统输出项中,磷素输出总量由194.24 Gg增至255.06 Gg,主要输出项为作物主产品和动物副产品,其中作物主产品磷素携出量增幅较大,由77.53 Gg增至131.86 Gg;农田生产子系统的磷素利用率由31.82%上升至52.46%,畜牧生产子系统的磷素利用率变化较小,维持在27.67%～35.31%。农牧系统磷素利用率趋势与农田生产子系统的利用率趋势较为一致,由16.55%上升至32.24%;单位农牧产品磷素损失呈下降趋势,由0.26kg(P)·kg~(-1)下降至0.12kg(P)·kg~(-1)。1998—2018年间,江苏省农牧业发展迅速,磷素总输入量逐年下降,农牧产品产量逐年上升,磷素环境总损失量(径流、侵蚀、淋溶和粪尿损失)逐年下降。受化肥投入量减少、测土配方、种植及养殖结构调整等因素影响,农牧系统磷素利用率略高于全国平均水平,养分管理取得初步成效,但仍有一定的进步空间。为促进江苏省农牧业可持续发展,应进一步控制磷肥输入、加大有机肥和本地饲料输入量、提高秸秆和畜禽粪便综合利用率、调整种植结构和养殖布局,发展小麦、玉米、水蜜桃、草莓种植业,限制蛋鸭养殖业。     

小兴安岭典型农田生产-畜禽养殖系统氮素流动特征

为了解小兴安岭地区农田生产-畜禽养殖系统氮素投入与利用情况,以伊春市带岭区为研究区域,采用物质流分析方法,分析了2007—2015年该区氮素输入、迁移、转化和输出过程,核算了该地区农田生产与畜禽养殖氮素流动通量、流动效率及环境负荷。结果表明:2007—2015年带岭区农田生产系统与畜禽养殖系统单位面积氮素流动通量均呈上升趋势,且在2007—2012年上升幅度较大;畜禽养殖数量、农作物种植结构是影响带岭区氮素流动通量的重要因素;农田生产系统氮素利用率平均为64%,作物能较有效利用氮素;畜禽养殖系统氮素利用率约为19%,存在着较大提升空间;带岭区环境氮负荷呈现逐年增加趋势,畜禽养殖数量增加过快,粪尿氮素损失是环境氮负荷增加的主要原因。建议加强畜禽养殖科学管理,合理控制养殖规模,提高粪尿利用率,同时尽可能减少化肥氮投入,促进农田生产-畜禽养殖系统向高效、可持续方向发展。     

山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征

为揭示山西省农牧生产体系磷流动空间分布特征,进一步为养分资源综合管理提供科学建议,本研究使用食物链养分流动模型(NUFER)与Arc GIS相结合,以2011年山西省11个地市农牧生产体系为研究对象,计算了农牧生产体系中的磷流动、损失及账户平衡,并对各个生产体系的磷利用效率(PUE)、有机废弃物中磷的循环利用效率、磷的损失途径等重要指标进行了综合评价,描述了2011年山西省各地市农牧生产体系与区域尺度的磷流动变化特征。研究结果表明,山西省各地市农牧体系磷的投入和损失差异较大,农田生产体系投入范围在22.5~83.0 kg·hm~(-2),而整个农牧生产体系损失区间在2.7~8.8 kg·hm~(-2);磷的投入和损失均总体呈现东南部高、西北部低的空间分布格局;各地市农田磷素均有盈余但程度不均,为9.4~48.4 kg·hm~(-2)。农田生产系统的磷素利用效率(PUEc)高于全国平均水平;农牧生产体系的磷利用效率(PUEc+a)较低,全省平均水平仅为30.3%,主要是由于农牧分离较为严重;有机废弃物的循环利用效率较低(60%)。省域东南部存在潜在环境风险,晋城、晋中等地市有大量的粪尿磷未得到回收利用,可作为周边农业主产区的农田养分资源。因此通过提高农牧生产体系的养分管理水平和区域间养分资源协同管理,能够大幅提高磷的利用效率,同时有效降低环境风险,实现山西农业可持续发展。     

海南农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征

氮素是生命活动必须的元素之一,然而一定区域内过多的氮素输入可能会造成严重的环境污染。本研究以热带地区的海南岛为研究对象,明确其农牧生产体系氮素流动过程和特征,分析氮素输入和输出量变化关系及其利用效率的时空变化,以期优化农牧体系养分管理,为制定海南省农牧业发展政策提供科学依据。通过运用食物链养分流动模型（NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use,NUFER）并结合Origin和ArcGIS等软件分析海南地区1987-2016年间农牧生产体系氮素养分流动时空变化特征,同时首次对海南省农牧生产体系内部氮素流动在理想与实际情况下的时空变化做出了相关性分析。结果显示海南地区30年间农牧生产体系氮素总输入量由134.15 Gg增长到406.39 Gg,总输出氮素由84.75 Gg增长到307.77 Gg。30年来,农田生产子系统氮素利用效率由12.39%增长到20.54%,动物生产子系统氮素利用率由6.10%增长到13.88%,农牧结合体系氮素利用效率整体呈现上升趋势,由1987年的12.84%增加到2016年的21.63%。空间上,农田生产子系统中,氮素总输入与总输出项中增幅最高的分别是澄迈县和琼海市,五指山市两项增长均最低;动物生产子系统中,氮素总输入与总输出项增幅最高的分别是文昌市和儋州市,五指山市两项增长均最低。1987-2016年海南岛农牧生产体系氮素投入持续增长,氮素利用率低下,空间差异较大,土壤氮素盈余量较高。相关性分析表明,农田生产子系统与动物生产子系统出现较严重的脱节。因而,为提高海南地区氮素流动效率和促进可持续发展,应注重提高本地饲料产量、合理使用肥料、循环利用畜禽粪尿,进一步优化农牧业发展布局,建立农牧结合的高效生产体系。     

华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究

华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。     

两种土壤不同施氮水平对稻田系统的氮素利用及环境效应影响

在非完全淹水稻田中,研究了不同施氮水平分次施氮对植株氮吸收、土壤中氮素的积累和渗漏水氮素污染的影响,结果发现:水稻植株氮积累量随施氮水平的增加迅速提高,但施氮超过225kg/hm2后,水稻吸氮基本保持不变;土壤中的氮累积情况表明,小于75kg/hm2的施氮不利于土壤肥力的保持,超过225kg/hm2后土壤氮累积严重;渗漏水平均含氮浓度与施氮水平密切相关,相关系数为0.943。分次施氮的效果表明,植株吸氮高峰集中在拔节期至孕穗期,土壤氮累积在基肥施后迅速增加,渗漏水含氮量的高峰集中在每次施肥后的小段时间内,特别是基肥施后达到其最大值。这说明通常施用占总施氮量50%以上的稻田基肥可能是引起土壤氮累积、流失和地下水污染的重要原因,应宜减少。     

基于Nufer模型的京津冀农牧系统氮素平衡状况及化学氮肥减施潜力分析

[目的]明确京津冀地区农牧系统氮素流动及平衡特征,解析化学氮肥减施潜力,从而为该地区化肥零增长和农业绿色发展提供依据.[方法]通过收集文献数据及2017年统计数据,采用Nufer(nutrient flows in food chain,environment and resources use)模型,以"农田-畜牧"...     

RZWQM模拟小麦 玉米轮作系统氮素运移及损失特征

本文以位于华北平原的河北省农林科学院大河试验站冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象,应用RZWQM(Root Zone Water Quality Model)模型对华北地区2010年冬小麦-夏玉米的1个轮作周期内土壤剖面水分和剖面硝态氮累积、作物产量、硝态氮淋失以及氨挥发进行模型模拟。本文利用并通过RZWQM模型在不同梯度施肥情况下讨论了施肥量对小麦-玉米轮作体系中硝态氮淋溶和氨挥发特性,并尝试通过拟合出的回归曲线来确定施氮量和硝态氮淋失和氨挥发之间的关系。设置冬小麦-夏玉米轮作周期施纯氮量分别为575 kg-hm-2(N3)、400 kg-hm-2(N2)、215 kg-hm-2(N1)和0 kg-hm-2(N0)4个处理,应用轮作周期中玉米数据进行模型参数率定,应用小麦进行模型参数的验证。结果表明:模型的玉米率定以及小麦验证的过程中结果偏差均在可接受范围内,剖面水分率定均方误差(RMSE)最高为0.019 cm3-cm-3,平均相对误差(MRE)最高为15.98%;剖面硝态氮累积验证结果 RMSE平均值为4.580 mg-kg-1,MRE平均值为52.63%。在模型验证的小麦-玉米季土壤基础上,硝态氮淋溶和氮挥发都与施氮量呈一定线性相关关系。综上结论,本试验结果能较好地模拟华北地区土壤剖面水分、硝态氮积累,以及施氮量对土壤硝态氮淋失和氨挥发的影响,为预测和估算土壤适宜施氮量提供了便捷可靠的方法。但RZWQM模型验证参数过程还需要进一步的校正与完善。     

西部平原区生态用地时空动态特征及环境效应

为了探究生态用地变化特征及其对区域生态环境的影响效应,以西部平原区的四川省广汉市为例,基于土地利用转移概率矩阵和重心迁移模型分析研究区生态用地的时空演变特征,然后从承担生态风险、生态服务供给、均衡生态系统的维度运用生态系统服务价值、生态敏感性和生态协调评估分析评价了研究区生态用地演变导致的生态环境效应。结果表明:(1)2000-2017年,研究区生态用地流失严重,大量城镇边缘的生态用地被快速转化为建设用地。研究区生态用地总面积减少9769.51 hm²,耕地面积减少了10726.91 hm²,生态用地重心向北部迁移。(2)生态用地格局受建设用地扩展的扰动对区域生态环境带来了压力和风险,产生了一定的负向影响。生态系统服务价值减少了17.11%,生态极敏感和高度敏感区面积分别增加1629.47,4294.40 hm²,生态协调度下降了10.36%。西部平原地区在快速城镇化进程中生态用地流失严重,整体生态环境承受较大压力,应加强生态用地科学管控与修复,提升国土空间环境综合治理能力。     

有机无机肥配施对杭嘉湖地区稻田氮素利用率及环境效应的影响

采用田间试验结合15 N同位素示踪,研究有机无机肥配施对浙江省杭嘉湖平原稻田氮素利用率及环境效应的影响,结果表明:在施氮量150kg/hm2基础上,加施有机肥3 000kg/hm2,稻谷增产9.8%～17.7%,氮素利用率达到47.9%,比单施化肥提高4.8%。而在施氮量210kg/hm2的基础上增施有机肥,稻谷产量及氮素利用率均呈下降趋势。硝态氮是稻田土壤氮素损失的主要形式,施用有机肥能有效地降低氮素损失率。在施氮量150kg/hm2基础上配施有机肥,氮素通过田间径流的流失率由0.85%降至0.70%,氮素通过渗漏水损失率由1.29%降至0.96%;施氮量达到210kg/hm2后,施用有机肥对减少氮素流失的效果不明显。综合考虑试验点土壤特性、施肥目标产量以及对农田环境污染的潜在风险,建议以每1hm2施用纯氮150kg、配施3 000kg有机肥较为适宜。     

农牧交错带牧业系统波动性及影响因子分析

牧业系统波动是影响到农牧交错带农户生计和生态安全的重大问题。该研究以羊只总数为牧业系统特征变量,选取年降水量、年平均气温、有效灌溉面积、粮食播种面积、粮食总产量、当年造林面积、草地面积、植被指数、农业劳动力人数和农民人均纯收入为影响因子。用经验模态分解法获得羊只总数及其10个影响因子的波动分量和趋势量;进而运用集对分析法对羊只总数与其影响因子的相应波动分量进行对比分析。结果表明,1954—2013年盐池县羊只总数波动较大,羊只总数及其10个影响因子存在3~4、7~15、22~26、40~45 a的准周期性波动,22~26 a准周期是羊只总数波动中最重要的。对羊只总数波动影响最大的因子是粮食播种面积,其次是年降水量,二者的综合影响率占75%。年平均气温、粮食总产量和造林面积也有一定影响。羊只总数波动分量的周期越长,受农业的影响越大;越短则受气候的影响越大。经济社会对羊只总数的波动影响很小。气候因子在3、7~9和30 a准周期上影响羊只总数波动,是其主控因子;而粮食总产量、当年造林面积是羊只总数波动的反向调节因子,其他6个因子兼有主控和反向调节两方面的作用。基于以上各主要影响因子的作用机理,构建有效的农林牧复合系统将是实现盐池县牧业系统稳定发展的必然出路。     

我国农牧系统素转化循环的宏观特征与生态农业

本文应用作物、畜禽、土壤三个养分库的简化氮循环模型、建立反映我国农业氮素转化循环宏观特征及其变化的定量图解模型，提示了我国农业发展历程中日益加强的无机化倾向和低效率问题。从50年代初到80年代末，我国农牧系统在作物生物氮生产总量提高1.3倍、食物氮供应总量提高1倍、食物氮中动物性氮比重提高３倍的同时，农田生产性输入总量及化肥氮施用量分别增长了7倍和186倍，有机氮输入量经重由占总输入氮量的97%下降到25%，农田总投入氮和化肥氮肥的主产品氮生产效率分别从1.12和3.63下降到0.34和0.46。满足人口13-15亿时适当改善的食物氮需求，需增产饲料氮1-2倍，增施化肥氮1倍以上，并将出现严重的生态环境后果。论文讨论了为解决我国农业氮素转化循环问题可能采取的生态农业对策。     

黄土丘陵区土壤—作物系统氮素特征与管理

基于长期定位试验,对黄土丘陵区的晋西北河曲县砖窑沟试验区土壤氮素资源与分布,土壤氮素变化和农田氮素平衡进行了分析,并探讨了该区氮素管理策略和施肥方案。结果表明,试验区土壤全氮含量平均为0.4.g/kg,土壤碱解氮为16.76.mg/kg,氮素水平低,供氮能力差。土壤氮素含量呈现耕地草地林地的分布态势。经过连续13年的施肥处理,施有机肥和有机、无机肥配施020cm土层全氮含量显著提高了12.0%～105.6%,2040cm土层全氮含量变化没有显著差异;各施肥处理020cm土壤碱解氮均呈上升趋势,增加了32%～299%,土壤有效氮的增加与连续施入有机肥的量有关。施肥处理的糜子农田的土壤氮素均呈现出盈余状况,马铃薯田则基本保持平衡。因此,在轮作周期中应根据前茬作物的需氮特性和收成情况确定当季作物的氮肥施用量。糜子和马铃薯的施肥应以氮肥和有机肥为主,氮磷比例分别为1∶0.5～0.7和1∶0.7左右为宜。     

农田氮素的气态损失与大气氮湿沉降及其环境效应

本文总结了近年来有关农田N素气态损失与湿沉降研究的成果,讨论了农田N素气态损失的主要途径、排放量、影响因素及其环境危害。同时结合对太湖地区农田N素气态损失与大气N湿沉降的试验结果,阐述了化肥N的气态损失对大气和水体环境的影响,以及酸雨由硫酸型向硫酸和硝酸混合型变化的驱动因素。     

长江三角洲集约农区农牧系统区域差异及发展趋势

通过多方调研,制定了长江三角洲集约农区农牧系统区域差异评价指标体系,包括自然资源状况,种植业与养殖业特征和社会消费与农村经济特征等方面内容。对指标体系进行动态聚类分析,约定了长江三角洲集约农区边界,分析了农牧系统的主要特征,以县（市）为单位将长江三角洲集约农牧系统划分为５个区并论述了其特征发展趋势。     

长江三角洲集约农区农牧系统区域差异及发展趋势

通过多方调研,制定了长江三角洲集约农区农牧系统区域差异评价指标体系,包括自然资源状况、种植业与养殖业特征和社会消费与农村经济特征等方面内容。对指标体系进行动态聚类分析,约定了长江三角洲集约农区边界,分析了农牧系统的主要特征,以县(市)为单位将长江三角洲集约农区农牧系统划分为5个区并论述了其特征及发展趋势。     

南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征

[目的]分析南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征,为该区旱涝灾害防治决策、牧区生态重建及保护提供科学参考。[方法]基于南方农牧交错带1960—2017年20个气象站点逐月降水量资料,采用标准化降水指数(SPI)、反距离权重插值、M-K突变检验等方法对南方农牧交错带近58 a的降水特征及旱涝灾害时空格局进行研究。[结果]①近58 a以来南方农牧交错带年平均降水量以3.98 mm/10 a的速率在增加,降水主要集中在夏季,用M-K方法检测出该区域年平均降水量在1990年发生突变;②受气候、大气环流、地形、海拔高差、下垫面等因素的影响,降水量在空间分布上以维西—理塘—若尔盖为界,西北部降水量少,东南部降水量多,降水量呈现出由东南向西北递减的趋势;③研究区年降水量的增减变化以松潘—马尔康—新龙—理塘—稻城一线为界线,该线以东地区的年降水量均呈显著增长趋势发展,以西地区的年降水量呈显著减少趋势;[结论]研究区20世纪60—70年代旱灾发生的频率略高,80—90年代涝灾发生的频率较高,2000年以来旱涝灾害呈明显的减弱趋势发展。     

北方农牧过渡带农户农业生产系统模式评价与优化研究

以内蒙古赤峰市为例,采用切诺斯评价法对北方农牧过渡带典型地区的偏牧区、偏农区和半农半牧区3种类型区常见的6种家庭农业生产系统模式进行了社会经济效益、生态效益和资源利用效率的系统评价与优选,结果表明草地畜牧业和养猪模式、种植业和育肥牛模式、农牧结合模式效益较好,并针对3种模式存在的问题提出优化改良方案,改良后的优化模式分别比原模式户均收入提高26．8％、81．0％和46．9％,投资效益提高4．7％、7．1％和4．2％;产出总能分别提高27．0％、77．0％和70．5％;光能利用率分别提高14．6％、23．8％和47．6％。